本發(fā)明涉及一種固態(tài)集成電路領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器領(lǐng)域的斜率持續(xù)變化的斜坡信號的實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器中，線性斜坡電壓波形(vramp)信號常被用作模‐數(shù)轉(zhuǎn)換電路的全局參考信號。這種模‐數(shù)轉(zhuǎn)換也叫做躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換(Ramp‐ADC)，可將來自于光電二極管像素的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字編碼。vramp信號穿過光電二極管信號的斜坡持續(xù)時(shí)間與光信號有關(guān)：對于正向斜坡，斜坡電壓信號的通過時(shí)間在弱光區(qū)較短，在強(qiáng)光區(qū)較長。而由于vramp信號的線性度不變，Ramp‐ADC的最低有效位(LSB)電壓在弱光區(qū)和強(qiáng)光區(qū)都保持不變。圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍(DR)受限于Ramp‐ADC的分辨率，即：DR＝FSR/LSB＝6.02XN(dB)。通過改變vramp信號的斜率可在弱光區(qū)生成較小的LSB以得到更大的動(dòng)態(tài)范圍，而較大的LSB使ADC的位寬保持不變。另一種擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的方法是提高滿量程(FSR)。

鑒于斜坡時(shí)鐘的頻率控制vramp信號的斜率，因此有必要設(shè)置一個(gè)頻率可變的時(shí)鐘發(fā)生單元。時(shí)鐘發(fā)生單元的設(shè)計(jì)有多種選擇，例如，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)微調(diào)的PLL(鎖相環(huán))以生成頻率可變的時(shí)鐘，PLL的穩(wěn)定時(shí)間對于vramp信號的產(chǎn)生十分重要。盡管PLL可以作為生成持續(xù)變化的時(shí)鐘的代表方法，但也可能有其他途徑能夠達(dá)到相同目的。

目前擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍或高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)圖像傳感器通常應(yīng)用兩種方法，多重曝光技術(shù)和/或ADC位寬擴(kuò)展技術(shù)。前者是指由傳感器捕獲幾張不同曝光時(shí)間的圖片，再由后臺軟件或圖像信號處理器將所有這些圖片混合在一起生成一張HDR圖片。這種技術(shù)至少有三個(gè)嚴(yán)重缺陷。第一是清晰度。由于這些不同曝光時(shí)間的圖片是在不同時(shí)間點(diǎn)采集的，目標(biāo)和攝像機(jī)都可能移動(dòng)，合成的圖片當(dāng)然不清晰。第二是速度。混合幾張高分辨率的圖片需要較長的計(jì)算時(shí)間。第三是成本。為混合幾張高分辨率的圖片，需要復(fù)雜的軟件或圖像信號處理器支持；需要通過快速暫存器保存原始圖片數(shù)據(jù)；因而獲得高幀速率和高分辨率的HDR圖片的系統(tǒng)成本較高。ADC位寬擴(kuò)展技術(shù)也有缺陷。例如，如果ADC的位寬從10位擴(kuò)大到12位，傳感器的斜坡時(shí)間是原本的4倍，此時(shí)速度顯然是個(gè)瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提出一種斜率持續(xù)變化的斜坡信號的實(shí)現(xiàn)方法，通過改變時(shí)鐘發(fā)生單元的頻率來產(chǎn)生斜率持續(xù)變化的斜坡電壓信號的方法，或者是采用離散頻率的微步長時(shí)鐘達(dá)到時(shí)鐘連續(xù)變化的效果，可得到擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的圖像。

本發(fā)明具體通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明涉及一種斜率持續(xù)變化的斜坡信號的實(shí)現(xiàn)方法，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出的位寬以及斜坡信號發(fā)生器的時(shí)鐘頻率，使得用于圖像采樣的斜坡信號的電壓增長率平滑變化，從而實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中碼位動(dòng)態(tài)可調(diào)。

所述的動(dòng)態(tài)調(diào)整是指：在多個(gè)不同的信號中選擇一個(gè)作為時(shí)鐘觸發(fā)，從而生成對應(yīng)的輸出序列的位寬，其中多個(gè)不同的信號包括：預(yù)設(shè)且具有頻率固定的時(shí)鐘、通過鎖相環(huán)生成的輸入時(shí)鐘的倍頻信號。

所述的斜坡信號發(fā)生器的時(shí)鐘頻率為鎖相環(huán)生成的輸入時(shí)鐘的倍頻信號。

本發(fā)明涉及一種斜率持續(xù)變化的斜坡信號發(fā)生裝置，包括：斜坡信號發(fā)生單元、多路選擇器以及以及若干組并聯(lián)的光電信號采集支路，其中：斜坡信號發(fā)生單元根據(jù)斜坡時(shí)鐘向光電信號采集支路中的每個(gè)比較單元輸出頻率變化率可調(diào)的斜坡信號，光電信號采集支路中的計(jì)數(shù)單元通過多路選擇器以計(jì)數(shù)時(shí)鐘或斜坡時(shí)鐘中的任一作為時(shí)鐘從而實(shí)現(xiàn)輸出序列位寬的可調(diào)。

所述的斜坡時(shí)鐘由整數(shù)鎖相環(huán)或分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)生成。

所述的計(jì)數(shù)時(shí)鐘的頻率固定。

所述的若干組并聯(lián)的光電信號采集支路的輸出端優(yōu)選設(shè)有緩沖單元作為輸出緩沖器，以便對若干組并聯(lián)的光電信號采集支路中的計(jì)數(shù)單元的輸出信號進(jìn)行編碼。

本發(fā)明涉及一種基于上述裝置的CMOS圖像傳感機(jī)構(gòu)，包括上述斜率持續(xù)變化的斜坡信號發(fā)生裝置和鎖相環(huán)，其中：鎖相環(huán)向斜坡信號發(fā)生裝置提供頻率動(dòng)態(tài)變化的時(shí)鐘，斜坡信號發(fā)生裝置與光電轉(zhuǎn)換陣列相連，根據(jù)所述時(shí)鐘確定輸出序列位寬并生成對應(yīng)的斜坡信號，實(shí)現(xiàn)對圖像的動(dòng)態(tài)范圍采樣。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括但不限于：

1)清晰的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍圖片：本發(fā)明不需混合不同圖片，即不存在圖片清晰度的問題。本發(fā)明生成的圖片均為擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍圖片。

2)高速：本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)高幀速率，其中：第一種方法不需要采集不同曝光時(shí)間的圖片，第二種方法不需要額外的斜坡持續(xù)時(shí)間。

3)高分辨率：有賴于本發(fā)明可得到每個(gè)像素的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍數(shù)據(jù)，分辨率不再是擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍圖片的瓶頸。

4)低成本：與傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器相比，本發(fā)明新增的模塊是時(shí)鐘發(fā)生單元。因而本發(fā)明不需要復(fù)雜的軟件，也不需要大型的寄存器支持。

5)適用范圍廣：本發(fā)明可應(yīng)用于不同的圖像傳感器，如卷簾快門傳感器和全局快門傳感器。

附圖說明

圖1為本發(fā)明CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為鎖相環(huán)單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為模‐數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：CMOS圖像傳感機(jī)構(gòu)10、鎖相環(huán)單元11、躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元12、光電轉(zhuǎn)換陣列13、斜坡時(shí)鐘14、光電二極管信號15、數(shù)字域的輸出信號16、參考時(shí)鐘17、分頻數(shù)18、外部計(jì)數(shù)時(shí)鐘19、反饋時(shí)鐘21、相位頻率檢測單元22、相位差23、電荷泵24、振蕩器控制信號25、壓控振蕩單元26、分頻單元28、輸入時(shí)鐘31、模擬比較器32、計(jì)數(shù)器34、輸出緩沖器36、斜坡信號發(fā)生單元37、斜坡信號38、多路選擇器39；

圖4為斜坡時(shí)鐘斜率遞增示例圖；

圖中：T1是斜坡信號的開始時(shí)間，T2是斜坡信號的終止時(shí)間；

圖5為斜坡信號斜率遞增示例圖；

圖6為斜坡信號與位寬示例圖；

圖中：頻率逐步提高的斜坡信號61、位寬擴(kuò)展的線性斜坡信號62。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)施例涉及一種CMOS圖像傳感機(jī)構(gòu)10，包括：躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(Ramp‐ADC)12、鎖相環(huán)11以及光電轉(zhuǎn)換陣列13，其中：鎖相環(huán)單元11根據(jù)分頻數(shù)信息18和參考時(shí)鐘17向躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元12輸出斜坡時(shí)鐘14，光電轉(zhuǎn)換陣列13將圖像的光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元12從光電轉(zhuǎn)換陣列13中讀出光電二極管信號15并最終輸出數(shù)字域的輸出信號16。

所述的光電二極管信號15為光電轉(zhuǎn)換陣列13產(chǎn)生的n位并行的光電二極管電壓信號，該信號的電平與光強(qiáng)有關(guān)，以n位并行方式傳輸以便于快速讀出。

所述的鎖相環(huán)單元11中預(yù)設(shè)不同的頻率模式以產(chǎn)生頻率可變的斜坡時(shí)鐘14，該斜坡時(shí)鐘14的頻率可根據(jù)斜坡曲線的要求進(jìn)行增加或降低、線性或非線性的調(diào)整。

如圖2所示，所述的鎖相環(huán)單元11包括：依次連接的相頻檢測單元22、電荷泵單元24和壓控振蕩單元26，以及分別與壓控振蕩單元26的輸出端以及相位‐頻率檢測單元22相連的分頻單元28，其中：相頻檢測單元22根據(jù)參考時(shí)鐘17和來自壓控振蕩單元26的反饋時(shí)鐘21之間的頻率差生成相位差信號23至電荷泵單元24，電荷泵單元24將相位差信號23轉(zhuǎn)化為正電荷或負(fù)電荷，并輸出振蕩器控制信號25至壓控振蕩單元26，壓控振蕩單元26輸出對應(yīng)的斜坡時(shí)鐘14至分頻單元28。

所述的相位差信號23，當(dāng)反饋時(shí)鐘21的頻率低于參考時(shí)鐘17的頻率，則相位差信號23為正向，反之則為負(fù)向。

所述的電荷泵單元24中優(yōu)選設(shè)有低通濾波器，該低通濾波器積分所述的正電荷和負(fù)電荷以過濾相位差信號23中的高頻成分，使得振蕩器控制信號25更加平滑。

所述的分頻單元28的輸出，即反饋時(shí)鐘21的頻率F為斜坡時(shí)鐘14頻率f的1/M倍。

所述的正向的相位差信號23可提高壓控振蕩單元26的振蕩速度以使分頻單元28的輸出時(shí)鐘頻率和輸入時(shí)鐘的頻率差越來越小。

如果參考時(shí)鐘17的頻率與反饋時(shí)鐘21的頻率相同，則鎖相環(huán)單元11鎖定。在鎖定情況下，斜坡時(shí)鐘14的頻率是參考時(shí)鐘17頻率F₁₇的M倍，即f＝M*F₁₇。

如果改變分頻單元28的分頻數(shù)18，則斜坡時(shí)鐘14的頻率也會相應(yīng)改變。在線性遞增的情況下，當(dāng)分頻數(shù)線性升高，則斜坡時(shí)鐘14的頻率也將線性增加或減少。斜坡時(shí)鐘14從開始變化并且再次鎖定之間有一個(gè)延遲時(shí)間，即鎖相環(huán)的鎖定時(shí)間。

為使斜坡時(shí)鐘14的頻率變化更加平緩，鎖相環(huán)必須設(shè)置合適的鎖定時(shí)間，該鎖定時(shí)間取決于鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬，而環(huán)路帶寬與電荷泵單元24有關(guān)。通過對電荷泵單元24進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置，即可得到對應(yīng)頻率可變的斜坡時(shí)鐘14。

在不同的實(shí)施場合下，可以采用帶Σ-Δ調(diào)制器的分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)作為時(shí)鐘發(fā)生單元，以產(chǎn)生更加平滑的頻率曲線。

如圖3所示，所述的躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元12包括：斜坡信號發(fā)生單元37、多路選擇器39以及若干組并聯(lián)的光電信號采集支路，其中：斜坡信號發(fā)生單元37根據(jù)斜坡時(shí)鐘14向光電信號采集支路中的每個(gè)比較單元輸出斜坡信號38，多路選擇器39根據(jù)外部計(jì)數(shù)時(shí)鐘19和斜坡時(shí)鐘14選擇對應(yīng)的光電信號采集支路并輸出。

所述的斜坡信號發(fā)生單元37通過斜坡時(shí)鐘14，將頻率轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷翰a(chǎn)生斜坡信號38，該斜坡信號發(fā)生單元可采用但不限于：基于開關(guān)電容的斜坡信號發(fā)生器、基于電流定向數(shù)模轉(zhuǎn)換器的斜坡信號發(fā)生器以及基于電流縮放數(shù)模轉(zhuǎn)換器的斜坡信號發(fā)生器。

所述的斜坡信號38的斜率取決于斜坡時(shí)鐘14的頻率：如果斜坡時(shí)鐘14單調(diào)增加，斜坡信號38的斜率也單調(diào)增加；如果斜坡時(shí)鐘14的頻率降低，斜坡信號38的斜率也相應(yīng)地降低。

所述的光電信號采集支路采集來自光電轉(zhuǎn)換陣列13的光電二極管信號15，該光電轉(zhuǎn)換陣列13將光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。在大部分情況下，強(qiáng)光的光電二極管信號15為高電壓。

所述的若干組并聯(lián)的光電信號采集支路中的比較單元32接收一路光電二極管信號15并與所述斜坡信號38進(jìn)行比較：當(dāng)斜坡信號38從低電壓升到高電壓，比較器32對斜坡信號38和光電二極管信號15進(jìn)行比較，如果斜坡信號38大于任何一個(gè)光電二極管信號15，相應(yīng)的比較單元32的輸出會以如從高到低的方式變化。

從斜坡信號38開始到比較單元32變化的斜坡持續(xù)時(shí)間由計(jì)數(shù)單元34記錄。計(jì)數(shù)單元34的記錄范圍即為躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的位寬，且計(jì)數(shù)單元34的時(shí)鐘采用來自多路選擇器39的計(jì)數(shù)時(shí)鐘31。舉例說明：如10位的躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對應(yīng)的計(jì)數(shù)單元34的步長為1023。

所述的多路選擇器39為雙輸入單輸出型，即根據(jù)外部計(jì)數(shù)時(shí)鐘19和斜坡時(shí)鐘14輸出計(jì)數(shù)時(shí)鐘31。

基于計(jì)數(shù)時(shí)鐘31的頻率是否固定，有兩種方法擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍：第一種方法，如果計(jì)數(shù)時(shí)鐘31來自于外部計(jì)數(shù)時(shí)鐘19并具有固定頻率，則可使得LSB降低從而得到擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍；第二種方法，如果計(jì)數(shù)時(shí)鐘31來自于斜坡時(shí)鐘14并具有變化的頻率，則可以擴(kuò)展躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元12的位寬或增加FSR。

對于第一種方法，即計(jì)數(shù)時(shí)鐘31的頻率固定。在正向斜坡信號的情況下，更短的斜坡持續(xù)時(shí)間意味著采集到的光電二極管信號15具有更低的電壓，同時(shí)表示更弱的光信號。在斜坡信號38的起始階段，與傳統(tǒng)的線性斜坡電壓相比，斜坡信號38的斜率更小，使較弱信號得到更多的斜坡持續(xù)時(shí)間。由于計(jì)數(shù)時(shí)鐘31的頻率是固定的而斜坡持續(xù)時(shí)間變長，計(jì)數(shù)單元34可得到更多位的輸出碼，即位寬增加。在計(jì)數(shù)時(shí)鐘31的一個(gè)周期內(nèi)的斜坡信號38的電壓變化值即為躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的LSB。因此在計(jì)數(shù)時(shí)鐘31的相同周期下，更小的斜坡信號38斜率可以產(chǎn)生更小的斜坡信號38的LSB。

另一方面，更強(qiáng)的光信號則需要更大的LSB，從而節(jié)約總斜坡持續(xù)時(shí)間。在斜坡信號38的末端，LSB達(dá)到最大，并且斜坡信號38的斜率也達(dá)到最大。

對于一個(gè)躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元12，其動(dòng)態(tài)范圍DR＝FSR/LSB，其中：FSR為滿量程，LSB是最低有效位，F(xiàn)SR是常數(shù)，并且有：

i)LSB在斜坡信號38的起始階段較小，從而得到更大的DR，即在弱光區(qū)使得躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元12具有更多位的輸出碼；

ii)在斜坡信號38的中間階段，LSB不變；

iii)在斜坡信號38的結(jié)束階段，LSB增加，即在強(qiáng)光區(qū)壓縮躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元12的碼位，即位寬減少，從而使得FSR保持不變的情況下得到擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的圖像。

所述的躍升式模數(shù)轉(zhuǎn)換單元12中優(yōu)選設(shè)有緩沖單元36作為輸出緩沖器，以便對若干組并聯(lián)的光電信號采集支路中的計(jì)數(shù)單元34的輸出信號進(jìn)行編碼。

如圖4所示，為斜坡時(shí)鐘14的頻率的斜率遞增示例，整個(gè)斜坡持續(xù)時(shí)間從T1到T2。F1是斜坡時(shí)鐘14在T1的頻率，F(xiàn)2是斜坡時(shí)鐘14在T2的頻率。

如圖5所示，為對應(yīng)圖4中斜坡時(shí)鐘14輸出的斜坡信號38的電壓曲線，其中：斜坡信號38的電壓從V1升至V2，斜率同步增加。

對于第二種方法，模數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的位寬增加，而輸入時(shí)鐘31可以與斜坡時(shí)鐘14頻率相同。由于斜坡時(shí)鐘14的頻率呈線性增加或減少，計(jì)數(shù)單元的總計(jì)數(shù)步長可在相同的斜坡持續(xù)時(shí)間內(nèi)提高或降低。在弱光區(qū)，輸入時(shí)鐘31的采樣速度較低，從而使得圖像傳感器具有更好的濾噪效果；在強(qiáng)光區(qū)，輸入時(shí)鐘31的采樣速度較高，圖像傳感器的噪聲可能由于更高的計(jì)數(shù)速度而變大，但是強(qiáng)光電二極管信號足以克服更大的噪聲的影響。由于輸入時(shí)鐘31和斜坡時(shí)鐘14頻率相同，LSB在整個(gè)斜坡持續(xù)時(shí)間內(nèi)是不變的。

如圖6所示，為斜坡信號電壓與模數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的位寬的曲線圖，為擴(kuò)大模數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)位寬，總斜坡持續(xù)時(shí)間提高至T3。例如，將位寬從10位到11位，(T3‐T1)是(T2‐T1)的兩倍；從10位到12位，(T3‐T1)是(T2‐T1)的四倍。額外的斜坡持續(xù)時(shí)間限制了圖像傳感器的幀速率。總斜坡持續(xù)時(shí)間可保持不變，并且位寬可由于計(jì)數(shù)時(shí)鐘加速而擴(kuò)大。

盡管前述書面說明使得普通技術(shù)人員能夠由此制造、使用目前被認(rèn)為的最佳方式的產(chǎn)品，但普通技術(shù)人員仍應(yīng)理解并了解與特定實(shí)施例、方法和示例等同的變化、組合和等效體。本發(fā)明可理解為不脫離本發(fā)明的精神和范圍的所有實(shí)施例和方法，而不應(yīng)被前述的實(shí)施例、方法和示例限制。